垂直轴潮流能水轮机叶型及导流罩的性能优化研究

发布时间：2020-11-01 16:38

　　 潮流能是一种不竭的清洁可再生资源,研发潮流能发电技术与装置具有重要的战略意义和显著的社会经济效益。水轮机是潮流能发电装置的核心部件,同时,在水轮机外部设置导流罩以增加潮流流速是一种提高装置获能效率的有效方法。本文采用仿真模拟为主、理论分析与模型试验为辅的方法,以Savonius型水轮机为研究对象,对其进行了优化与性能研究,本文主要研究内容和结果如下:(1)使用FLUENT建立二维仿真计算模型,用以潮流能垂直轴水轮机的模拟分析。结合相关研究与模型试验,验证仿真模型的适用性。采用该模型对基本S型水轮机进行非定常计算,得到不同工况条件下的性能曲线,发现最优尖速比系数为1.0,最大功率系数为25.49%。(2)运用二次Bezier函数对基本S型水轮机进行优化。引入斜度与拱度,设计出不同型式的两叶片水轮机,并进行多种工况下的仿真模拟。结果表明,在相同斜度条件下,拱度为5/6的叶型具有更优良的工作性能;最优叶型为斜度与拱度均为5/6,其最优尖速比系数为1.4,最大功率系数为0.3291,比基本S型水轮机提高了29.09%。(3)设计结构简单的单向导流罩装置。在尖速比系数为0.4的工况条件下进行参数优化,最优参数组合是α角为50°、β角为40°、距离L为5/6R。加装导流罩的优化后水轮机的最大功率系数为0.3902,比单纯的优化后水轮机提高了18.57%,比基本S型水轮机提高了 53.05%,但是,在尖速比系数高于1.2的工况下不适宜采用。(4)搭建潮流能垂直轴水轮机发电模拟装置。装置主要包含有:潮流模拟部分、水轮机运动部分、数据采集部分及相关的试验台与附件。叶型优化部分的模型试验表明优化后水轮机的工作性能优于基本S型水轮机,与仿真结果相互验证。
【学位单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P743.1;TK730.3
【部分图文】：

水轮机属于潮流能能量转换装置，是整个发电装置的关键部分，其性能与装??置整体的性能息息相关［｜７１。按照水轮机结构形式划分，现在世界上的潮流能获取??装置主耍有水平轴式和垂直轴式，其基本分类如图１．１所示１｜８］。随着潮流能发电??技术的发展，水轮机的分类也在不断改变，种类不断丰富，各种类型也在互相借??鉴、组合。??水ｔ袖瀾流能水轮机??ｉ?厂４?ｍ力嘲水轮机??能??????ｎ?一一－啦６轴潮流能水轮机—＾升力１彳水轮机??屢????１?升祖浞含唞水轮机??挂鴻水娓式发电装Ｈ??图１．１潮流能发电装置的基本分类??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｐｏｗｅｒ?ｆｌｏｗ?ｅｎｅｒｇｙ?ｃａｐａｃｉｔａｔｅｄ?ｄｅｖｉｃｅｓ??１．３．１水平轴潮流能水轮机??水平轴式水轮机，也可称为轴流式，工作时，来流方向平行于旋转轴，利用??潮流流动产生的能量推动水轮机旋转，将流体动能转化为机械能，再进一步转化??为电能。该水轮机的基本结构、工作原理与常见的大型风力机类似，由于在风力??发电中已经研宄较多，有较好的理论研究和实践基础，因此其在潮流能发电中的??应用十分普遍，也被称为“水下风车”。水平轴式水轮机的水轮机旋转平面垂直??于转轴，与来流方向正对，叶片在径向上绕轴心旋转。??从冃前的研究来看

興型设计资料，也可采用专业的软件进行设计。同时，类似于船舶使用变距桨，??近儿年的设计也开始出现水轮机叶片桨距可调的设计，改善了水轮机的工作性能。??水平轴式水轮机是目前研究基础最好、发展最快的类型，其结构简单、稳定性高、??功率输出波动率较小，最重要的是获能系数高于其他类型。近几年的研宄也进？??步的推动了该荆水轮机的发展，主要体现在实际应用项目较多，部分装Ｍ己经能??够实现并网发屯，商业化和规模化的前景较好。??但是，其缺点也十分明站：叶片结构复杂，对加工工艺有较高的要求；叶根??处需要承受较大的载荷，对叶片材料和安装方式也提出了一定要求；位置处??的叶片切向速度不同，在叶尖处极易出现空泡现象；工作性能受流向的影响较人，??来流乃向改变后，水轮机基本上无法工作，虽然变距桨式的设计＂丨以改荇这个Ｈ??题，但是这种方法也会导致加工难度大幅度提升。??丨．３．２垂直轴潮流能水轮机??旋转轴垂直于来流方向的被称为垂直轴式水轮机。根据水轮机转动力矩的１：要??

１０％￣２０％〇??Ｗａｈｙｎｄｉ?Ｂ等１￣将扩散器设计与Ｓａｖｏｎｉｕｓ水轮机相结合，设计出一种新型的导??流罩型式（如图１．５），其结构分内外两层，内层在基本Ｓ型水轮机的基础上分别设??计了过渡叶片，在外层有直线型的导流板。当过渡叶片的端部与外侧的导流板接??触时，在Ｓ型叶片的凹侧形成类似扩散器的结构，实现增大流体速度、提高做功效??率的目的。?????Ｉ??图１．５带新型导流罩的水轮机结构示意??Ｆｉｇ．?１．５?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｔｕｒｂｉｎｅ?ｗｉｔｈ?ｎｅｗ?ｔｙｐｅ?ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ??Ｅｌｂａｔｒａｎ?Ａ曰等［３５］对管道式喷嘴型Ｓａｖｏｎｉｕｓ水轮机进行了性能研宄，通过对六??种不同的管道喷嘴设计的性能对比，发现管道喷嘴系统提高了水流速度，叶尖速??比系数为０．７３时，最大功率系数为０．２５，与传统Ｓ型水轮机相比，增加了约１８％。??Ｄｉｎｅｓｈ?Ｋｕｍａｒ等研宄了螺旋形Ｓａｖｏｎｉｕｓ水轮机的工作性能优化方案，其侧Ｍ??点在于水轮机的应力波动与材料强度，结果表明，采用增强技术可以提高水轮机??性能
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本文编号：2865806